CN110605353B - 高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺 - Google Patents

高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，包括加热流程、径锻机精锻变形、检验和机加工流程，然后得到钛合金棒材：其中所述的加热流程采用环形加热炉、通过火焰加热实现对钛及钛合金锭坯的加热，在加热过程中采用预热、加热以及均热三个阶段实现，其中预热段的加热温度在800±50°，加热时间为60‑70min；加热段的加热温度在900‑1150°，加热时间70‑90min，均热段的加热温度与加热段相当，均热时间为60‑90min；径锻机精锻变形处理包括通过液压式径锻机进行精锻，使用四锤头进行锤击锻造，锻造时间10‑30min。本发明采用改进加热方式的环形加热炉，通过环形分段加热的方式，并结合径锻机的锻造变形，实现钛及钛合金铸锭的快速、高效、短流程的制备。

Description

高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺
技术领域
本发明涉及钛及钛合金棒材锻造技术领域，具体而言涉及一种高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺。
背景技术
钛及钛合金加热过程与铜、铝、铁和镍相比，钛的导热率低，加热的主要困难在于采用表面加热方法时，加热时间相当长，大型坯料加热时，截面温差大。与铜、铁、镍基合金的导热率随着温度的提高而下降不同，钛合金的导热率是随着温度的提高而增加。
但是，当提高加热温度时，钛及钛合金还会与空气发生强烈的反应。当在650℃以上加热时，钛与氧强烈反应，而在700℃以上时，则与氮也发生反应，同时形成被这两种气体所饱和的较深表面层。例如，当采用表面加热方式把直径350mm的钛坯料加热到1100～1150时，就需要在钛与气体强烈反应的温度范围中均热3～4h以上，则可能形成厚度1mm以上的吸气层。这种吸气层会恶化合金的变形性能。
结合图1，现有技术中对于钛合金铸锭的开坯工艺通常是经过加热、开坯锻造、二次加热、二次锻造变形、检验、机加工，制备棒材，甚至在一些性能要求下，还会包括三次加热和三次加热锻造变形的过程，延长了钛合金铸锭的开坯过程，相应的成本也是增加很多。
然而，目前钛合金材料生产除严格控制生产工艺过程质量外，钛的低成本化、高效、短流程钛及钛合金加工技术，是影响钛合金在各行业广泛应用的关键，目前的成本依然很高，低成本的制备越来越受到研制部门和钛材生产企业的高度重视，获得性能优异、表面质量好、材料收得率高是目前钛合金棒材生产制备的一大关键问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，采用改进加热方式的环形加热炉，通过环形分段加热的方式，并结合径锻机的锻造变形，实现钛及钛合金铸锭的快速、高效、短流程的制备。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，包括加热流程、径锻机精锻变形、检验和机加工流程，然后得到钛合金棒材：
其中所述的加热流程采用环形加热炉、通过火焰加热实现对钛及钛合金锭坯的加热，在加热过程中采用预热、加热以及均热三个阶段实现，其中预热段的加热温度在800±50°，加热时间为60-70min；加热段的加热温度在900-1150°，加热时间70-90min，均热段的加热温度与加热段相当，均热时间为60-90min；
径锻机精锻变形处理包括通过液压式径锻机进行精锻，使用四锤头进行锤击锻造，锻造时间10-30min。
优选地，在加热过程中，环形加热炉的设计采用加热段、预热段和均热段相互衔接成环形设计，在预热段和均热段之间进行装料和出料。
优选地，在加热过程中，环形加热炉的炉底回转一周，使得锭坯依次连续通过加热段、预热段和均热段三个区域。
优选地，在加热过程中，环形加热炉内的气氛条件为微氧化气氛。
优选地，在精锻变形过程中，在锭坯初锻时，锤头的锤击频次低于锻造中后期的频次，并且在锻造中后期，每道次变形速度和锤击频次逐步增高。
优选地，在最后的小变形精整锻造阶段，道次达到240次/分钟的锤击频次。
由以上本发明的技术方案，本发明的开坯工艺的有益效果在于：相较于传统的自由锻造，本发明采用液压式锻造机，可实现比一般快锻机更快的锻造速度和打击频次，并且在加热的，过程中，采用改进的环形加热炉，炉底回转一周，锭坯连续经过预热、加热和均热三个区，控制炉内气氛环境，有效控制钛及钛合金锭坯的加热温度和时间，确保径锻机锻造工艺完美实施。
本发明通过优化钛和钛合金材料的分段式加热工艺以及液压式径锻机的锻造变形工艺，可以缩短坯料在高温下的停留时间，解决加热过程中钛及钛合金的导热率低和高温下吸气严重的问题，并且通过液压径锻机进行精锻，控制道次延伸率、变形速度实现工件在变形过程中保持在相对稳定、狭窄的变形温度区间内，以获得最佳的组织、性能。
附图说明
图1是现有技术中钛及钛合金铸锭的快锻(快速锻造)开坯工艺的流程图。
图2是本发明高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺的流程图。
图3是本发明的开坯工艺中使用的环形加热炉的示意图。
图4是现有技术的快锻工艺下Ti-Fe-B合金微观组织的示意图。
图5是本发明的短流程精锻工艺下Ti-Fe-B合金微观组织的示意图。
图6是快锻工艺下TA1合金微观组织的示意图。
图7是本发明的短流程精锻工艺下TA1合金微观组织的示意图。
图8是快锻和精锻锻造工艺下TA1合金室温拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。
结合图2所示，根据本发明各个方面的实施例提出一种高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，总体上包括加热流程、径锻机精锻变形、检验和机加工流程，然后得到钛合金棒材。
结合图2、图3所示，本发明的加热流程采用环形加热炉、通过火焰加热实现对钛及钛合金锭坯的加热。在优选地实施例中，结合图3，环形加热炉由固定的炉壁和环形回转炉炉底组成，内外环之间设有水封。采用专门的装卸料机构，炉底回转一周，锭坯连续经过预热、加热和均热三个区，同时与炉底没有相对滑动。加热段、预热段和均热段相互衔接成环形设计，在预热段和均热段之间进行装料和出料。
为了使锻件和模锻件获得均匀的细晶组织和高的力学性能，在加热过程中采用预热、加热以及均热三个阶段实现，其中预热段的加热温度在800±50°，加热时间为60-70min；加热段的加热温度在900-1150°，加热时间70-90min，均热段的加热温度与加热段相当，均热时间为60-90min，保证毛坯在高温下的停留时间较短。
本发明的实施例中，环形加热炉属于火焰加热炉，其炉内气氛的控制主要根据炉内气氛性质与合金的相互作用的特征，以炉内气氛中的某些成分和杂质对合金的有害影响来决定。本发明的工艺实现过程中，控制炉内的气氛为微氧化气氛，提高炉膛压力，防止空气倒吸，避免锭坯吸氢产生“氢脆”裂纹。同时，更加优选的是采用热炉装料，在锻完后加料，充分利用余热，节约能源；并且减少开启的烧嘴，有效控制钛及钛合金锭坯的加热温度和时间，确保径锻机锻造工艺完美实施。
相较于传统自由锻设备，本发明的工艺实现采用液压式径锻机实现，精锻变形处理包括通过液压式径锻机进行精锻，使用四锤头进行锤击锻造，锻造时间10-30min。在精锻变形过程中，在锭坯初锻时，锤头的锤击频次低于锻造中后期的频次，并且在锻造中后期，每道次变形速度和锤击频次逐步增高。
优选地，在最后的小变形精整锻造阶段，道次达到240次/分钟的锤击频次。
通过本发明的精锻工艺，可获得比一般快锻机快得多的锻造速度和打击频次。由于液压驱动自身的特性，可根据每道次锤头压下量、回程高度和负载大小可实现锻造速度和打击频次的无级可调。一般压下量、回程高度和负载越大，锻造速度和打击频次越低，反之越高。
本发明的在锻造开坯过程中，为保证心部锻透性，根据材料的塑性，应在每一个开坯道次时设定尽可能大道次延伸率。在一定的道次延伸率下，在锭坯初锻时，坯料原始尺寸大，需要锤头较大的绝对压下量和较大的锻造力，从而可使锤头获得较慢的变形速度和打击频次。在锻造过程中，坯料随每道次变形，锻前直径逐步减小，相对应的绝对压下量和锻造力也逐步减少，从而使每道次变形速度和打击频次逐步增高，在最后的小变形精整道次可实现240次/分钟的打击频次。
由于坯料变形抗力大，导热系数小，在变形时热效应显著，温升现象比较明显，极易出现锻造过热。而在锭坯初锻时，坯料直径相对较大，长度相对较短，表面散热温降小，此时低的变形速度和打击频次可防止温升过快。随着坯料断面的减小，长度增加，表面散热、温降快，采用较快变形速度和打击频次可增加变形热，防止料温偏低。
图4-图8是本发明的短流程精锻与传统的快锻工艺下对不同的钛合金的锻造的微观组织形态以及应力应变曲线对比。图4是现有技术的快锻工艺下Ti-Fe-B合金微观组织的示意图。图5是本发明的短流程精锻工艺下Ti-Fe-B合金微观组织的示意图。
直径400mm铸锭通过开坯变为直径120mm的棒材。两种材料变形量相同。快锻及精锻Ti-Fe-B合金各区域微观组织分别由图4、图5所示，其中，S为边缘(Surface)简写，M为中部(Medium)简写，C为芯部(Core)简写。
图6是快锻工艺下TA1合金微观组织的示意图。图7是本发明的短流程精锻工艺下TA1合金微观组织的示意图。结合图8是快锻和精锻锻造工艺下TA1合金室温拉伸应力应变曲线，如下表1的合金拉伸性能测试结果，可见，本发明的短流程锻造工艺下的合金材料的拉伸性能更加优良，合金组织更加细化。
表1两种锻造工艺下TA1合金的拉伸性能
Figure BDA0002159199680000041
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，包括加热流程、径锻机精锻变形、检验和机加工流程，然后得到钛合金棒材：
其中所述的加热流程采用环形加热炉、通过火焰加热实现对钛及钛合金锭坯的加热，在加热过程中采用预热、加热以及均热三个阶段实现，其中预热段的加热温度在800±50℃，加热时间为60-70min；加热段的加热温度在900-1150℃ ，加热时间70-90min，均热段的加热温度与加热段相当，均热时间为60-90min；
径锻机精锻变形处理包括通过液压式径锻机进行精锻，使用四锤头进行锤击锻造，锻造时间10-30min。
2.根据权利要求1所述的高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，在加热过程中，环形加热炉的设计采用加热段、预热段和均热段相互衔接成环形设计，在预热段和均热段之间进行装料和出料。
3.根据权利要求1所述的高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，在加热过程中，环形加热炉的炉底回转一周，使得锭坯依次连续通过加热段、预热段和均热段三个区域。
4.根据权利要求1所述的高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，在加热过程中，环形加热炉内的气氛条件为微氧化气氛。
5.根据权利要求1所述的高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，在精锻变形过程中，在锭坯初锻时，锤头的锤击频次低于锻造中后期的频次，并且在锻造中后期，每道次变形速度和锤击频次逐步增高。
6.根据权利要求1所述的高效钛及钛合金铸锭短流程精锻开坯工艺，其特征在于，在最后的小变形精整锻造阶段，道次达到240次/分钟的锤击频次。
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